2020年基于手持設(shè)備的智能球研究與設(shè)計(jì)論文.docVIP

基于手持設(shè)備的智能球研究與設(shè)計(jì)論文 球形運(yùn)動(dòng)裝置是最近十幾年出現(xiàn)的一種新型移動(dòng)結(jié)構(gòu)形式,它的典型特征是具有一個(gè)球形外殼且將其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、電源等都包含在球形外殼的內(nèi)部,通過(guò)重心偏移、動(dòng)量守恒等內(nèi)部驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)可控運(yùn)動(dòng)。球形運(yùn)動(dòng)裝置具有良好的動(dòng)靜態(tài)穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)靈活性,能夠在比其直徑略大的狹窄彎曲空間內(nèi)運(yùn)動(dòng),即使與其他物體發(fā)生碰撞或跌落,也可以自動(dòng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài),不會(huì)像輪式、足式、履帶式等傳統(tǒng)移動(dòng)裝置那樣發(fā)生“翻車”問(wèn)題，因此在復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著。 1相關(guān)工作 一般認(rèn)為第一個(gè)真正的球形運(yùn)動(dòng)裝置是由Halme等于1996年設(shè)計(jì)完成的，這個(gè)球形裝置利用一個(gè)可在球殼內(nèi)滾動(dòng)的帶有支撐桿的內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)打破系統(tǒng)的平衡,實(shí)現(xiàn)裝置的全向運(yùn)動(dòng)1。Halme等人分析了該裝置的越障、爬坡等運(yùn)動(dòng)性能，但這個(gè)球形運(yùn)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)可控性與穩(wěn)定性較差。Bihi等設(shè)計(jì)的球形運(yùn)動(dòng)裝置是放置一輛雙輪小車于空球殼中，利用小車運(yùn)動(dòng)打破裝置內(nèi)部的平衡從而使裝置運(yùn)動(dòng),他們只做了簡(jiǎn)單的仿真,沒(méi)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Bhattacharya等設(shè)計(jì)了一個(gè)具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的球形運(yùn)動(dòng)裝置，與球殼相連接的兩個(gè)相互垂直的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),由于角動(dòng)量守恒導(dǎo)致球殼反向轉(zhuǎn)動(dòng),由此產(chǎn)生裝置的運(yùn)動(dòng),仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該球形裝置的運(yùn)動(dòng)精度比較差2。Mukherjee等提出了一種球形運(yùn)動(dòng)裝置的概念設(shè)計(jì),其內(nèi)部從球心位置伸出4根輻條,盤式電機(jī)控制重物沿著輻條運(yùn)動(dòng)改變球的重心,實(shí)現(xiàn)球形運(yùn)動(dòng)裝置的全方位運(yùn)動(dòng),球殼內(nèi)部的支撐腿和攝像機(jī)可從球殼內(nèi)伸出,完成戰(zhàn)場(chǎng)偵察、環(huán)境探測(cè)等任務(wù)3。Javadi等設(shè)計(jì)的球形運(yùn)動(dòng)裝置也是通過(guò)調(diào)整4根輻條上的配重來(lái)改變球形運(yùn)動(dòng)裝置的重心,但輻條的布置方式不同,他們只在很小的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)4。xx年瑞典的Rotundus公司推出了用于軍事偵察與監(jiān)視用的Rotundus系列球形運(yùn)動(dòng)裝置。Rotundus的內(nèi)部設(shè)有一根中軸,中軸上懸掛一個(gè)擺塊,在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,擺塊向前(或向后)擺動(dòng)時(shí)球形運(yùn)動(dòng)裝置滾動(dòng)前進(jìn)(或后退),擺塊向側(cè)方移動(dòng)時(shí)則進(jìn)行轉(zhuǎn)向5。Rotundus內(nèi)部可安裝相機(jī)、無(wú)線電通信設(shè)備等部件,可在一定距離范圍內(nèi)為使用人員采集和傳輸特定區(qū)域的信息。孫漢旭等設(shè)計(jì)了一個(gè)類似萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)的全方位運(yùn)動(dòng)球形裝置,通過(guò)兩個(gè)垂直軸上布置的電機(jī)調(diào)整配重位置的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)球形裝置的全方位運(yùn)動(dòng)。戰(zhàn)強(qiáng)等設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的、直線運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)解耦的球形運(yùn)動(dòng)裝置,通過(guò)兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)重物實(shí)現(xiàn)重心偏移,使球形運(yùn)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)直線和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)6。 2智能球控制系統(tǒng) 智能球控制系統(tǒng)是基于Android和藍(lán)牙功能的手機(jī)終端進(jìn)行通信,手機(jī)終端安裝了應(yīng)用控制軟件,可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。利用手機(jī)藍(lán)牙遙控智能球的行走，以藍(lán)牙手機(jī)作為客戶端，智能球上的藍(lán)牙模塊作為服務(wù)端，通過(guò)串口仿真協(xié)議進(jìn)行通信。它具有編程靈活、自由、易于控制、穩(wěn)定性能好、擴(kuò)展容易等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了智能球的前行、倒退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止等功能，將手機(jī)變身為遙控器，為人們的帶來(lái)方便。 21手機(jī)客戶端設(shè)計(jì) 手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)采用的是Eclipse開(kāi)發(fā)環(huán)境，Eclipse是一個(gè)開(kāi)放源代碼的、基于Java的可擴(kuò)展開(kāi)發(fā)平臺(tái)，還需要為Eclipse安裝一個(gè)開(kāi)發(fā)J2ME程序的EclipseMe插件，為了在電腦上方便模擬自己開(kāi)發(fā)的程序，還需要安裝無(wú)線開(kāi)發(fā)工具WKT。 2.1.1初始化本地藍(lán)牙 初始化本地藍(lán)牙設(shè)備，建立LocalDevice類，包括取得本地設(shè)備實(shí)例、藍(lán)牙名稱、設(shè)置發(fā)現(xiàn)模式、獲得發(fā)現(xiàn)代理。 2.1.2搜索藍(lán)牙設(shè)備 搜索周圍藍(lán)牙設(shè)備，每發(fā)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備就調(diào)用監(jiān)控接口deviceDiscovered（），在這個(gè)接口中添加自己的代碼，把搜索到的設(shè)備記錄在List列表中，搜索設(shè)備完成調(diào)用接口inquiryCompleted（）。完成搜索后，把搜索到的所有設(shè)備顯示出來(lái)。 2.1.3搜索藍(lán)牙服務(wù) 在識(shí)別列表List中，選擇一個(gè)需要的設(shè)備，開(kāi)始搜索服務(wù)，發(fā)現(xiàn)服務(wù)時(shí)自動(dòng)調(diào)用接口servicesDiscovered（），并把服務(wù)記錄在serviceRecord，服務(wù)搜索完成調(diào)用接口serviceSearchCompleted（）。 2.1.4建立連接 根據(jù)上一步搜索到服務(wù)記錄serviceRecord，建立連接要獲得URL，調(diào)用接口函數(shù)serviceRecord.getConnectionURL（），打開(kāi)連接Connector.open(url)，并打開(kāi)數(shù)據(jù)流openDataInputStream（）和openDataOutputStream（），就可接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。 2.1.5監(jiān)聽(tīng)鍵盤事件 由Canvas類監(jiān)聽(tīng)按鍵事件，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，自動(dòng)調(diào)用keyPressed（）,并傳入按鍵編碼，發(fā)出控制信號(hào)，控制智能球的運(yùn)動(dòng)。 2.2智能球服務(wù)端設(shè)計(jì) 智能球服務(wù)端的設(shè)計(jì)包括：藍(lán)牙串口通信設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。下面介紹藍(lán)牙串口通信設(shè)計(jì)和單片機(jī)編程設(shè)計(jì)。 2.2.1串口通信設(shè)計(jì) 藍(lán)牙模塊與單片機(jī)之間的通信使用虛擬串口實(shí)現(xiàn)的，串口為標(biāo)準(zhǔn)配置：波特率9600、檢驗(yàn)位NONE、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位。中斷接收函數(shù)只要是負(fù)責(zé)接受藍(lán)牙發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。 2.2.2單片機(jī)編程設(shè)計(jì) 由于無(wú)線接收器和單片機(jī)通信的方式是串口，為了是智能球能迅速響應(yīng)上位機(jī)發(fā)送來(lái)的信號(hào)，單片機(jī)使用串口中斷的方式，在main函數(shù)里面主要就是處理中斷接收到的數(shù)據(jù)，并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 3智能球運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) 智能球三維實(shí)體模型如圖1所示。該智能球基于重心偏移的原理實(shí)現(xiàn)可控運(yùn)動(dòng),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括小車、電機(jī)、中空軸、重塊和攝像頭。其結(jié)構(gòu)關(guān)系為:中空軸通過(guò)兩端的兩個(gè)滾動(dòng)軸承連接在球殼上,并作為支架安裝其他4個(gè)部件。小車固定在中空軸上,其兩個(gè)車輪與球殼呈滾動(dòng)摩擦接觸;驅(qū)動(dòng)重塊的電機(jī)也固定在中空軸上,其輸出軸端固定連桿,連桿的末端固定有重塊,當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)可驅(qū)動(dòng)重塊繞電機(jī)軸左右擺動(dòng)；就動(dòng)力學(xué)控制來(lái)講,智能球的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制具有計(jì)算量少、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn),但也存在動(dòng)態(tài)特性得不到保證的缺點(diǎn)。采用旋量理論可推導(dǎo)其速度雅可比矩陣實(shí)現(xiàn)其速度級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，利用可控性李代數(shù)證明該球形智能球系統(tǒng)是可控的。 智能球的運(yùn)動(dòng)原理是:小車沿球殼內(nèi)壁爬升帶動(dòng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度,使智能球整體產(chǎn)生重心偏移,從而驅(qū)動(dòng)智能球進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)重心偏移力矩和滾動(dòng)摩擦力矩平衡時(shí),智能球勻速前進(jìn),此時(shí)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與地面保持一個(gè)恒定的角度。 智能球的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)重塊在垂直于直線運(yùn)動(dòng)方向上擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)重塊轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向偏心力矩,使球傾斜一個(gè)角度,此時(shí)與直線運(yùn)動(dòng)相組合即可形成智能球的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。 圖1智能球結(jié)構(gòu) 4實(shí)驗(yàn)分析 為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及速度逆解的正確性,對(duì)智能球進(jìn)行了圓形軌跡運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),該智能球的直徑為200mm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用單目CCD攝像機(jī)拍攝球形智能球的位置圖像,并通過(guò)視覺(jué)處理手段獲得其型心位置,然后將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。圓形軌跡運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法是以不同的轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行圓形軌跡運(yùn)動(dòng),考察其圓形軌跡運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和最小轉(zhuǎn)彎半徑。實(shí)驗(yàn)中智能球運(yùn)行軌跡直徑為1.6m，運(yùn)行過(guò)程中智能球偏移理想軌跡的最大誤差約為0.05m，這是由于地面不平所導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了智能球可以實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng),智能球的圓形軌跡運(yùn)動(dòng)誤差在軌跡直徑長(zhǎng)度的5%以內(nèi)。 5結(jié)論 本文根據(jù)球形運(yùn)動(dòng)裝置控制的特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)智能球采用開(kāi)環(huán)控制時(shí),由于系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行軌跡無(wú)法測(cè)量,而只能通過(guò)積分的方式獲得,因此當(dāng)受到外界干擾時(shí),智能球的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)受到較大的影響。為了使球形智能球以較高的精度運(yùn)動(dòng),對(duì)其進(jìn)行包括動(dòng)力學(xué)在內(nèi)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有效地對(duì)智能球進(jìn)行運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的速度、加速度或位置的控制，并把智能球與手持設(shè)備藍(lán)牙遙控技術(shù)整合為一體化智能球形運(yùn)動(dòng)裝置。 參考文獻(xiàn) 1HalmeA,SchonbergT,WangY.MotioncontrolofasphericalmobilerobotC4thIEEEInternationalWork2shoponAdvancedMotionControlAMC96.1996:100-106. 2BihiA,BalluchA,PrattichizzoD